1. 引言
电力行业是对气象高敏感和高需求性行业 [1]。近年来，随着气候变暖加剧，全球水循环加速，频繁发生的极端天气气候事件引发的气象灾害不断加剧，严重威胁电网的正常稳定运行 [2] [3] [4]。如1998年的长江流域的特大暴雨和洪水，就严重影响了当时华中和华东地区部分电网设施的运行，造成部分地区低压线路、配变台区设备受损严重 [5]。21世纪以来，伴随着国家经济社会的迅速发展，全国电网的建设和运行呈现出一体化的特征，各类先进技术和设备的大量应用使电网运行特性更加复杂，防汛压力和挑战不断增大，各类灾害对电网造成的破坏及由此引发的损失和后果也愈发严重 [6]。例如2016年6月23日，受强雷电、暴雨、冰雹等极端天气的影响，江苏电网盐城地区500千伏线路跳闸2条，220千伏线路跳闸4条，倒塌塔基1座，停电用户7.36万户，损失负荷4.87万千瓦，造成了巨额的财产损失以及巨大的抢险抢修人力物力。我国电网安全面临着严峻的形势和挑战。
降水是影响电网安全运行的诸多气象因子中最重要的因子，电网的洪涝危险性与极端降水密切相关。受季风气候的影响，我国大部分地区的极端降水主要集中在夏季汛期(6~9月)，强度大、突发性强，对电网设施有巨大的洪涝危险性，一直以来是我国电网防汛所关注的重点 [6] [7] [8]。自2017年以来，国家电网北京市电力公司与中国气象局合作建设的气象灾害精准预报预警系统上线运行，同时其它地区的电力部门也与气象部门合作开展了电网预警系统的开发和应用，显著提升了电网对各类气象灾害特别是极端降水的应对能力 [9] [10] [11]。然而，由于缺乏长时间、高精度的基础数据支撑，目前我国电网洪涝危险性的研究，对过去极端降水时空分布特征和规律的认识仍然很不充分，这使得我们对电网受灾与局地气象和水文要素特征的关联性缺乏深入认识，也对加强电网布设和防灾的依据和针对性造成了一定的限制。
因此，明晰我国极端降水的分布特征和演变规律，进一步探明电网孕灾环境信息，提高汛期电网气象预报的针对性，是保障电网安全运行的必然要求 [12]。本研究拟基于中国气象局最新的国家基准气象站日降水数据，以广泛应用的极端降水指数作为国家电网的洪涝危险性指标，分析国家电网1980~2020年洪涝危险性的时空变化特征及趋势，为改进当前电网防汛业务中对极端降水现状认识的不足、提高防汛措施的针对性提供现状分析和科学依据。
2. 方法和数据
2.1. 国家电网分区
国家电网有限公司成立于2002年，是经过中国国务院同意进行国家授权投资的机构和国家控股公司，主要负责建设和运营中国电网，并向全国26个省市和自治区提供电力供应的保障。按照我国地域行政区分布，国家电网在全国设了6个分区，分别负责各自区划内省市区的电力供应业务，具体如图1和表1所示。
Table 1. The regional divisions of State Grid in China
表1. 国家电网分区概况
注：广西省、广东省、云南省、贵州省和海南省的供电归属南方电网公司管辖。
2.2. 降水观测数据
本文所使用的降水数据来为中国地区2419个国家级台站1980~2020年的日降水数据观测数据集。该数据集源自《中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集》，在原有基础上，通过翻查国家级、省级资料中心保存的历史报文、报表资料，修订了大量数据(错误数据订正、遗失数据补录、无效数据剔除)，并经过气候极值、内部一致性、空间一致性等质量控制和均一化订正，去除了许多显著的人为影响，使得数据完整性与可靠性有了一定程度的提升 [13]。在国家电网的6个分区内，除了西北区和西南区的西藏地区站点相对较少外，其余地区的站点分布较为均匀，站网较密，具有较好的区域代表性。站点分布详见图1所示。
Figure 1. The spatial distributions of State Gird divisions and meteorological benchmark stations
图1. 国家级电网分区及气象站点的分布图
2.3. 极端降水指数
本研究基于国际学术界较为通用且在国内研究中常用的极端降水指数，选取代表性较强的4个指数作为表征电网洪涝危险性的指标 [2]。具体包括：暴雨日数、降水强度、强降水量和极强降水量，各个指标的定义、代码和单位如表2所示。通过分析1980~2020年期间各极端降水指标气候平均态和线性变换趋势的空间分布和各分区区域平均的时间序列，综合考察电网不同分区的洪涝危险性状态、空间分布格局特征以及过去41年间的变化趋势。
Table 2. The 4 extreme precipitation indices used in this study
表2. 本研究选取的4个极端降水指数
3. 结果与讨论
3.1. 气候平均态分布
图2给出了我国暴雨日数、降水强度、强降水量和极强降水量在1980~2020年间的气候平均态等值线分布。总体来看，所有极端降水指标都表明国家电网的南方3区(西南、华中和华东区)的洪涝风险要显著高于北方3区(华北、西北和东北区)，这与我国的基本降水格局相一致。受长期干旱气候的影响，西北绝大部分地区的年暴雨日数小于2天，部分区域常年为0，降水强度在6 mm/d以下，年强降水量小于60 mm，年极强降水量不超过15 mm，各指标量值在6个分区中均为最低，因此该区电网的洪涝危险性最低。东北区除辽东半岛的降水强度稍大之外，其西部大部分地区暴雨日数、强降水量和极强降水量在全国均处于较低的水平，电网洪涝危险性仅需关注东南部、特别是辽东半岛的沿海地区。
华北区是我国政治和重工业中心，尽管受上世纪80年代以来的干旱气候影响，年暴雨日数在2天以下，但其降水强度、强降水量和极强降水量的分布显示出了较大的“东–西”向梯度，这表明电网的洪涝危险性由西向东逐渐增大，尤其是在山东南部的沂蒙山区，年均降水强度超过15 mm/d，强降水量超过90 mm，极强降水量达到30 mm以上。
Figure 2. The spatial distributions of annual climatology of 4 selected extreme precipitation indices during 1980~2020
图2. 1980~2020年4个极端降水指数的气候平均态等值线空间分布图
除西藏和四川西部地区之外，南方3区电网的洪涝危险性显著高于北方。其中，四川东部、华东与华中区的交界处以及华东区的沿海地区。其中华北、华中区的鄂赣皖地区降水强度为全国之最，最高达到24 mm/d，暴雨日数也超过5天，是除华南沿海外的全国高水平地区之一；区域强降水量超过150 mm，极强降水量超过45 mm，这说明该地区不仅极端降水强度大，而且暴雨日数多，可对电网造成高强度、长持续时间的洪涝风险，是防汛的重点地区。在西南区，成都平原的4个极端降水指标均处于明显的高值区，这说明该地区极端暴雨洪涝事件的风险极高，应是电网洪涝危险性预警和防范的重点。除了高精度的监测和及时的防汛预警业务外，电网的基础建设和安全等级同样需要有针对性地加强和维护。
3.2. 电网分区时间变化
国家电网各区域1980~2020年的平均极端降水指标序列如图3所示，各区各指标的变化趋势如表3所示。总体而言，华东区的洪涝危险性居6区之首，华中区和西南区次之；华北区和东北区位于相对较低水平，西北区则处于洪涝危险性的最低水平。从区域变化趋势来看，除西南区变化不明显，其余各区各指标在1980~2020年期间均表现出了增长的趋势，这说明在过去的几十年间，气候变化导致了各电网分区的洪涝危险性在逐渐增大。其中华东区的4个极端降水指标增大速率均为全国各区最快，这说明该区域极端降水事件频次及强度均有显著增大。华中区则在降水强度和极强降水量上有显著增多。尽管西北区的电网洪涝危险性是最低的，但受西北暖湿化气候的影响，该区域1980~2020年间的降水强度、强降水量和极强降水量均有较为显著的增大，这说明电网的洪涝危险性正在不断增大，尽管目前仍处于频率和强度较低的水平，但考虑到西北区的经济社会发展及电网基础设施建设的发达程度弱于其他区，因此在未来的防汛及电网规划建设中，必须给予足够的重视。华北区和东北区的降水强度变化显著，其余指标有一定程度的增大趋势，但不显著。在所有指标中，变化最为显著的是降水强度，在除西南区之外的其余5个区均呈现出显著增大的趋势(显著性水平均超过95%，除华北区外均超过99%)；极强降水量次之，在华东和西北区呈显著增大趋势(显著性水平达95%以上)，在华中区的显著性水平也超过了90%。这说明在过去的41年间，我国电网所面临的洪涝危险性，主要体现在降水强度的增大及极强降水量的增多这两个方面。
Figure 3. The regional mean time series of the extreme precipitation indices over State Grid’s 6 divisions
图3. 国家电网6个分区极端降水指标时间变化序列图
Table 3. The linear trend and significance (p value) of the regional averaged extreme precipitation indices over 6 State Grid’s divisions
表3. 国家电网6个分区各极端降水指数区域平均序列的线性趋势和显著性(p值)
注：p值为显著性检验方法得到，显著性水平为(1 − p) * 100%。
Figure 4. The spatial distribution of each meteorological station’s linear trend of the extreme precipitation indices during 1980~2020
图4. 各个极端降水指标1980~2020站点变化趋势分布图
3.3. 站点变化趋势分布
为了研究不同区域极端降水变化趋势的空间分布特征，我们计算了4个极端降水指数在每一个站点的1980~2020年间的线性变化趋势，结果如图4所示。从图4可见，各极端降水指数的趋势都显示出了很强的区域性特征。对于暴雨日数来说，华东区绝大部分呈现增多趋势，西北区和西南区的西藏和川西地区基本上表现出微弱的增多或减少，变化幅度不大；东北区的暴雨日数变化在平原区较大，特别是辽东地区，而在内蒙古地区相对较小；而在华北区、华中区和西南区的川东和重庆地区，暴雨日数变化趋势的空间异质性较大，显示出了强烈的地域性特征，其中川东、河南、河北南部及湖北东部地区减少较为明显，而在山东、湖南和江西地区，则呈现出相对较快的增长趋势。降水强度的趋势分布特征和暴雨日数相似，总体上华东地区增长最大且区域最为集中，西北区呈微弱增大，程度较弱，东北区相对变化幅度大一些，东部呈微弱增大，西部有相当一部分站点有下降趋势，这可能与区域气候的暖干化有一定关系；华北区的山西、山东及河北南部降水强度呈现出增大趋势，但在京津冀城市群则有明显的减小趋势，同样的情况也发生在西南的川东和重庆地区，这可能与快速的城市化进程有关 [14]；降水强度趋势空间分布最不均匀的是华中区，该地区呈减小趋势的站点多位于长江干流沿岸，而在支流的上游地区则多呈增大趋势，这表明人类活动可能会对该区的降水强度造成一定的影响。
从强降水量和极强降水量的趋势空间分布来看，华东区增长幅度最大最明显，依然面临着最为严峻的洪涝危险性；华中区、华北区的山东地区和东北区的辽东地区次之；而华北区的山西地区和西北区东部同样呈现出较为明显的增大趋势，且极强降水量的增加趋势相对于周边地区更加明显，考虑到这些地区都是历史上较为干旱的地区，这说明极端降水量的变化正使得这些地区电网的洪涝危险性逐渐增大，这需要在当下和未来的电网防汛与规划工作中，引起足够的重视。与降水强度相一致，京津冀和川渝城市群大部分站点的极端降水量呈现出减少的趋势，但仍有个别站点的增加趋势较为明显，因此对重点城市地区的洪涝危险性的有效应对仍不能掉以轻心。
4. 结论
本研究基于中国气象局2419个国家级台站的日降水观测数据，通过暴雨日数、降水强度、强降水量和极强降水量4个极端降水指数为国家电网洪涝危险性指标，分析了电网6个分区1980~2020年的洪涝危险性的气候态和变化趋势的空间分布特征，以及各区域的时间变化特征，取得的初步结论如下：
1) 从气候态的角度来看，国家电网南方3区的洪涝危险性远大于北方3区，其中以华东区和华中区为最高，洪涝高危险性地区主要集中在东南沿海和长江沿线地区，特别是赣、皖、浙交界区；华北区、西南区和东北辽东地区次之，西北区的洪涝危险性最低；
2) 在区域尺度上，华东区的洪涝危险性的增大趋势最为显著，华中区和西北区次之，东北区和华北区除降水强度外增大都不显著，西南区则有一定程度的减小；区域尺度的洪涝危险性增加最显著的是降水强度这一指标，但需要重视的是，极强降水量这一危险性最高的指标在华东、华中和西北区同样有显著的增大；
3) 从极端降水变化趋势分布来看，华东区在各个指标上都呈现出最大的危险性增大趋势，华中区次之，但有着空间异质性最大的分布特征，综合而言上述两区气候湿润、降水丰沛，面临着最严峻的危险性形势，应为电网防汛预警和基础建设的重点关注地区；华北的山西地区和西北区的东部则在极强降水量上有显著的增大，同样是电网未来建设规划重要的现实问题；京津冀和川渝城市群的电网洪涝危险性则总体呈减少趋势，这可能与以城市化为代表的人类活动有关，但个别站点的显著增大趋势会使得部分重点城区仍然面临不可忽视的潜在风险。
基金项目
本研究由国家电网有限公司总部管理科技项目“电网防汛气象风险评估及区域化关键致灾因子分析”(5200-202055300A-0-0-00)资助。
NOTES
*通讯作者。